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隨著上市的電動汽車越來越多，普及電動汽車有關知識顯得越來越來重要了。對汽車工程技術人員要求就高一些，什麼是電機？什麼是電機控制器？什麼是逆變器？什麼是IGBT？這些知識及應用常識以前沒有學過，今天卻要求掌握，否則會成為外行，如果不及時補充這些知識，最後可能會被淘汰掉。如今電動汽車應用越來越多的新知識、新技術，如：電機控制器或者逆變器型號、規格越來越多。要真正理解它的工作原理，必須要對其基礎理論進行學習，有了基礎知識，再結合實際產品進行對照，基本上可以掌握電機控制器或者逆變器的工作原理，進而就可以科學匹配設計。下面對絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)及應用進行討論，供初級工程技術人員參考。一、「絕緣柵雙極型晶體管」的通俗理解絕緣柵雙極型晶體管是《電工學》中的一個專業術語，如何正確理解有一定難度。筆者對個這術語進行通俗的解釋。 ①管：理解水管的功能即可。水從管子一頭流進去，從另一頭流出。水是液體的，管子對水而言，就是導管。 ②晶體管：水管子的材料有水泥的，也有用橡膠的等。晶體管的材料是晶體結構的，電子可以這一「頭」流進去，從另一「頭」流出。水管中是「空」腔，水才能流動，晶體結構材料的晶體「管」里也有「空」腔的，電子才能流動。不過水管的「空」腔，肉眼可以看到，而晶體管的「空」腔，肉眼是看不到的。於是有把「頭」換成「極」，即可以這樣表述了，即電子可以這一「極」流進去，從另一「極」流出。最典型是晶體二極體。二極體最大特點，只容許電子在裡面的流動是單向的（正向流動），反向是流不通的。這個特性，對二極體而言，叫做單嚮導通性能。④雙極型晶體管：把2個二極體的開關特性進行組合起來，且進行控制，可行實現電子在晶體管中的雙向流動。好比水管中間裝一些三通，配合一些閥門，水的流向、流量可行進行控制了。在二級管基礎進行新組合，對雙極型晶體管而言，有了開關特性了。⑤絕緣柵雙極型晶體管：絕緣柵簡單理解是一個閥門。通俗的理解，是帶閥門控制的能控制電子雙向（多向）流動的晶體管。二、認識絕緣柵雙極型晶體管（1） 二極體①不同二極體外形：外形有圓柱`圓球`半透明玻璃，現在有貼片，工業有鐵殼的，晶體二極體是用硅或鍺材料製造的半導體器件，它的內部是一個具有單嚮導電性的PN結。一頭是正極，一頭是負極。圖1 不同二極體的外形②二極體特性：正嚮導通，反向截至的特性。一頭是正極，一頭是負極，電流從正極流向負極。③按用途分為：整流，穩壓，開關，光敏，熱敏，發光等二極體。（2）三極體三極體比二極體多一個極（通俗地理解是三個引線，二極體是二個引線）。二極體正嚮導通，反向截至的特性是材料特性。三極體是在二極體的特性上，有了控制特性，這是產品特性了。①三極體外形及符號：圖2 三極體外形及符號②其開關原理當Vin為低電壓時，由於基極沒有電流，因此集電極亦無電流，致使連接於集電極端的負載亦沒有電流，而相當於開關的開啟，此時三極體乃工作於截止(cut off)區;同理，當Vin為高電壓時，由於有基極電流流動，因此使集電極流過更大的放大電流，因此負載迴路便被導通，而相當於開關的閉合，此時三極體乃工作於飽和區(saturation)。（3）場效應晶體管也叫電力場效應晶體管，是一種電壓控制器件，從外表來看，仍然是三根引線，場效應晶體管已經很多個PN結的集成電路了，其生產工藝比二、三管複雜多了。①場效應晶體管內部結構、符號、集成板圖3 場效應晶體管內部結構、符號、集成板②場效應晶體管有自關斷能力,而且有驅動功率小,開關速度高、無二次擊穿、安全工作區寬等特點，其電流、熱容量小，耐壓低，易於驅動和開關頻率可高達500kHz。③場效應晶體管基本用途適於高頻化電力電子裝置，如應用於DC/DC變換、開關電源、攜帶型電子設備、航空航天以及汽車等電子電器設備中。（4）絕緣柵雙極型晶體管在業內簡稱：IGBT。二極體、三極體通常用在無線電路里，而IGBT用在高壓控制電路里。基本理解其功能也是控制電路流向的器件。絕緣柵雙極型晶體管，集MOSFET和GTR的優點於一身，具有輸入阻抗高、開關速度快、驅動電路簡單、通態電壓低、能承受高電壓大電流等優點，已廣泛應用於變頻器和其他調速電路中。 圖4 理想等效電路與實際等效電路絕緣柵雙極型晶體管基本特性如下：①靜態特性IGBT 的靜態特性主要有伏安特性、轉移特性和開關特性。 ②IGBT的開通過程、關斷過程 表1：IGBT的開通過程、IGBT關斷過程圖5 IGBT的開通過程、IGBT關斷過程電氣變化特性三、IGBT是應用在高壓（高功率）電路變化的開關器件過去的二（三）晶體管（集成塊）基本應用在收音機、電視機等控制（變化）電路里。目前汽車低壓電路里依然大量使用二（三）晶體管（集成塊）等電子器件，但是新能源（電動汽車）驅動，是高壓（大功率）的，過去的二（三）晶體管（集成塊）基本就用不了。於是產生了IGBT，其基礎理論還是電子技術（模擬、數字的）。IGBT已經是大功率的、大規模的集成電子器件了。發展新能源汽車，其中要大量應用IGBT。沒有這個器件的支撐，沒有可能有電動驅動模塊。目前發展汽車的一個嚴重的短板是，IGBT器件大部分是進口的。電動汽車工程師必須知道IGBT知識及應用。目前正在追趕，尤其中車公司已經有了可靠的產品面世，中車公司自己的新能源汽車用他們自己IGBT器件更多一些。長期用外國公司IGBT器件，很難把控核心技術，成本優勢不明顯。筆者觀點，多用國產的IGBT器件的為宜。實際產品開發中如何搭配國外與國內IGBT器件，有待更多電動汽車工程師對IGBT器件的工作原理、具體產品的性能優劣有更多的了解和掌握。話說回來，電動汽車工程師對IGBT沒有必要太神秘了，簡單理解是二（三）晶體管（集成塊）升級而已，其內部結構比較複雜，但是對其外部特性掌握，其實沒有什麼難度的。IGBTIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極體)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的複合全控型電壓驅動式功率半導體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大；MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用於直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。IGBT模塊是由IGBT（絕緣柵雙極型晶體管晶元）與FWD（續流二極體晶元）通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導體產品；封裝后的IGBT模塊直接應用於變頻器、UPS不間斷電源等設備上；IGBT模塊具有節能、安裝維修方便、散熱穩定等特點；當前市場上銷售的多為此類模塊化產品，一般所說的IGBT也指IGBT模塊；隨著節能環保等理念的推進，此類產品在市場上將越來越多見；IGBT是能源變換與傳輸的核心器件，俗稱電力電子裝置的「CPU」，作為國家戰略性新興產業，在軌道交通、智能電網、航空航天、電動汽車與新能源裝備等領域應用極廣。工作特性三菱制大功率IGBT模塊IGBT 的靜態特性主要有伏安特性、轉移特性。IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓Ugs 為參變數時，漏極電流與柵極電壓之間的關係曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓Ugs 的控制，Ugs 越高， Id 越大。它與GTR 的輸出特性相似．也可分為飽和區1 、放大區2 和擊穿特性3 部分。在截止狀態下的IGBT ，正向電壓由J2 結承擔，反向電壓由J1結承擔。如果無N+緩衝區，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩衝區后，反向關斷電壓只能達到幾十伏水平，因此限制了IGBT 的某些應用範圍。IGBT 的轉移特性是指輸出漏極電流Id 與柵源電壓Ugs 之間的關係曲線。它與MOSFET 的轉移特性相同，當柵源電壓小於開啟電壓Ugs(th) 時，IGBT 處於關斷狀態。在IGBT 導通后的大部分漏極電流範圍內， Id 與Ugs呈線性關係。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為15V左右。動態特性動態特性又稱開關特性，IGBT的開關特性分為兩大部分：一是開關速度，主要指標是開關過程中各部分時間；另一個是開關過程中的損耗。IGBT 的開關特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關係。IGBT 處於導通態時，由於它的PNP 晶體管為寬基區晶體管，所以其B 值極低。儘管等效電路為達林頓結構，但流過MOSFET 的電流成為IGBT 總電流的主要部分。此時，通態電壓Uds(on) 可用下式表示：：Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh式中Uj1 —— JI 結的正向電壓，其值為0.7 ～1V ；Udr ——擴展電阻Rdr 上的壓降；Roh ——溝道電阻。通態電流Ids 可用下式表示：Ids=(1+Bpnp)Imos式中Imos ——流過MOSFET 的電流。由於N+ 區存在電導調製效應，所以IGBT 的通態壓降小，耐壓1000V的IGBT 通態壓降為2 ～ 3V 。IGBT 處於斷態時，只有很小的泄漏電流存在。IGBT 在開通過程中，大部分時間是作為MOSFET 來運行的，只是在漏源電壓Uds 下降過程後期， PNP 晶體管由放大區至飽和，又增加了一段延遲時間。td(on) 為開通延遲時間，tri 為電流上升時間。實際應用中常給出的漏極電流開通時間ton 即為td (on) tri 之和，漏源電壓的下降時間由tfe1 和tfe2 組成。IGBT的觸發和關斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負向電壓，柵極電壓可由不同的驅動電路產生。當選擇這些驅動電路時，必須基於以下的參數來進行：器件關斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。因為IGBT柵極- 發射極阻抗大，故可使用MOSFET驅動技術進行觸發，不過由於IGBT的輸入電容較MOSFET為大，故IGBT的關斷偏壓應該比許多MOSFET驅動電路提供的偏壓更高。IGBT在關斷過程中，漏極電流的波形變為兩段。因為MOSFET關斷後，PNP晶體管的存儲電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長的尾部時間，td(off)為關斷延遲時間，trv為電壓Uds(f)的上升時間。實際應用中常常給出的漏極電流的下降時間Tf由圖中的t(f1)和t(f2)兩段組成，而漏極電流的關斷時間t(off)=td(off)+trv十t(f)式中：td(off)與trv之和又稱為存儲時間。IGBT的開關速度低於MOSFET，但明顯高於GTR。IGBT在關斷時不需要負柵壓來減少關斷時間，但關斷時間隨柵極和發射極並聯電阻的增加而增加。IGBT的開啟電壓約3～4V，和MOSFET相當。IGBT導通時的飽和壓降比MOSFET低而和GTR接近，飽和壓降隨柵極電壓的增加而降低。正式商用的IGBT器件的電壓和電流容量還很有限，遠遠不能滿足電力電子應用技術發展的需求；高壓領域的許多應用中，要求器件的電壓等級達到10KV以上，目前只能通過IGBT高壓串聯等技術來實現高壓應用。國外的一些廠家如瑞士ABB公司採用軟穿通原則研製出了8KV的IGBT器件，德國的EUPEC生產的6500V/600A高壓大功率IGBT器件已經獲得實際應用，日本東芝也已涉足該領域。與此同時，各大半導體生產廠商不斷開發IGBT的高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降、高可靠性、低成本技術，主要採用1um以下製作工藝，研製開發取得一些新進展。2013年9月12日 自主研發的高壓大功率3300V/50A IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）晶元及由此晶元封裝的大功率1200A/3300V IGBT模塊通過專家鑒定，自此有了完全自主的IGBT「芯」。原理方法IGBT是將強電流、高壓應用和快速終端設備用垂直功率MOSFET的自然進化。由於實現一個較高的擊穿電壓BVDSS需要一個源漏通道，而這個通道卻具有很高的電阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)數值高的特徵，IGBT消除了現有功率MOSFET的這些主要缺點。雖然最新一代功率MOSFET 器件大幅度改進了RDS(on)特性，但是在高電平時，功率導通損耗仍然要比IGBT 技術高出很多。較低的壓降，轉換成一個低VCE(sat)的能力，以及IGBT的結構，同一個標準雙極器件相比，可支持更高電流密度，並簡化IGBT驅動器的原理圖。導通IGBT矽片的結構與功率MOSFET 的結構十分相似，主要差異是IGBT增加了P+ 基片和一個N+ 緩衝層(NPT-非穿通-IGBT技術沒有增加這個部分)。如等效電路圖所示(圖1)，其中一個MOSFET驅動兩個雙極器件。基片的應用在管體的P+和 N+ 區之間創建了一個J1結。 當正柵偏壓使柵極下面反演P基區時，一個N溝道形成，同時出現一個電子流，並完全按照功率 MOSFET的方式產生一股電流。如果這個電子流產生的電壓在0.7V範圍內，那麼，J1將處於正向偏壓，一些空穴注入N-區內，並調整陰陽極之間的電阻率，這種方式降低了功率導通的總損耗，並啟動了第二個電荷流。最後的結果是，在半導體層次內臨時出現兩種不同的電流拓撲：一個電子流(MOSFET 電流)； 一個空穴電流(雙極)。關斷當在柵極施加一個負偏壓或柵壓低於門限值時，溝道被禁止，沒有空穴注入N-區內。在任何情況下，如果MOSFET電流在開關階段迅速下降，集電極電流則逐漸降低，這是因為換向開始后，在N層內還存在少數的載流子(少子)。這種殘餘電流值(尾流)的降低，完全取決於關斷時電荷的密度，而密度又與幾種因素有關，如摻雜質的數量和拓撲，層次厚度和溫度。少子的衰減使集電極電流具有特徵尾流波形，集電極電流引起以下問題：功耗升高；交叉導通問題，特別是在使用續流二極體的設備上，問題更加明顯。鑒於尾流與少子的重組有關，尾流的電流值應與晶元的溫度、IC 和VCE密切相關的空穴移動性有密切的關係。因此，根據所達到的溫度，降低這種作用在終端設備設計上的電流的不理想效應是可行的。阻斷與閂鎖當集電極被施加一個反向電壓時， J1 就會受到反向偏壓控制，耗盡層則會向N-區擴展。因過多地降低這個層面的厚度，將無法取得一個有效的阻斷能力，所以，這個機制十分重要。另一方面，如果過大地增加這個區域尺寸，就會連續地提高壓降。 第二點清楚地說明了NPT器件的壓降比等效(IC 和速度相同) PT 器件的壓降高的原因。當柵極和發射極短接並在集電極端子施加一個正電壓時，P/N J3結受反向電壓控制，此時，仍然是由N漂移區中的耗盡層承受外部施加的電壓。IGBT在集電極與發射極之間有一個寄生PNPN晶閘管（如圖1所示）。在特殊條件下，這種寄生器件會導通。這種現象會使集電極與發射極之間的電流量增加，對等效MOSFET的控制能力降低，通常還會引起器件擊穿問題。晶閘管導通現象被稱為IGBT閂鎖，具體地說，這種缺陷的原因互不相同，與器件的狀態有密切關係。通常情況下，靜態和動態閂鎖有如下主要區別：當晶閘管全部導通時，靜態閂鎖出現，只在關斷時才會出現動態閂鎖。這一特殊現象嚴重地限制了安全操作區。為防止寄生NPN和PNP晶體管的有害現象，有必要採取以下措施：防止NPN部分接通，分別改變布局和摻雜級別，降低NPN和PNP晶體管的總電流增益。此外，閂鎖電流對PNP和NPN器件的電流增益有一定的影響，因此，它與結溫的關係也非常密切；在結溫和增益提高的情況下，P基區的電阻率會升高，破壞了整體特性。因此，器件製造商必須注意將集電極最大電流值與閂鎖電流之間保持一定的比例，通常比例為1：5。